Capteurs piézoélectriques souples à base de microfils de GaN en structure capacitive - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2017

Flexible piezoelectric sensors based on GaN microwires in capacitive structure

Capteurs piézoélectriques souples à base de microfils de GaN en structure capacitive

Abstract

Nanomaterials such as nanowires, nanoparticles and nanofibers have arisen in past few years as a novel solution for next generation electronics thanks to their outstanding physical properties sustained by the capability of being integrated onto microchips using conventional CMOS processes. Within the frame of this thematic, piezoelectric wires are one of the subjects that have been studied most recently. They have been used as an active material for electromechanical energy harvesting or sensing applications. This work studies GaN wire-based flexible piezoelectric sensors developed into vertical and horizontal architectures. We present a complete overview of the device fabrication and design starting from wire growth by MOVPE to the final electrical characterization of the sensors. Using Finite Element Modelling, we have explored the working principles of both architectures in order to understand in depth the potential generation mechanisms occurring at the wire level. This method was also used to help us establish the main design rules which provided guidance for the fabrication: the effects of wire geometrical parameters and device dimensions on the electrical performances of the devices were studied from a theoretical point of view to figure out the optimal geometry to be targeted by the process and adapt it accordingly. Finally, electrical characterization has been carried out on several devices in order to corroborate and approve the design rules experimentally. An appropriate automated mechanical bench was used and a proper readout circuit was developed to be able to precisely detect the actual piezoelectric signal provided by the sensors.
Les études portant sur les nanomatériaux tels que les nanofils, les nanoparticules ou les nanofibres ont connu un progrès significatif durant ces dernières années. Le développement de ces structures fut soutenu par les avancées réalisées dans le domaine des technologies de microfabrication qui permettent de nos jours, l’intégration des nanostructures sur les puces électroniques par le biais des procédés CMOS conventionnels. Ces travaux de thèse portent sur l’étude et le développement de capteurs piézoélectriques souples à base de fils de nitrure de gallium (GaN) assemblés selon deux architectures : horizontale et verticale. Ces deux géométries furent étudiées dans le cadre d’une approche globale qui traite à la fois de la croissance des fils, de la fabrication des capteurs et de la caractérisation électrique. En se basant sur des calculs en éléments finis, nous nous sommes d’abord penchés sur la compréhension des mécanismes de fonctionnement des dispositifs dans les deux cas de figures. Nous avons également utilisé cet outil pour établir des règles de design des composants. Les effets des paramètres géométriques des fils et des dimensions des capteurs ont été étudiés par des calculs afin d’adapter les procédés de fabrication et optimiser la génération de potentiel en ciblant les géométries optimales. Finalement, des caractérisations électriques ont été réalisées sur les capteurs fabriqués ; elles ont pu valider les règles de design d’un point de vue expérimental. Dans ce contexte, une électronique appropriée a été développée pour la lecture des signaux piézoélectriques issus des capteurs sollicités en compression sur un banc de test automatisé.
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Dates and versions

tel-01719719 , version 1 (28-02-2018)
tel-01719719 , version 2 (21-03-2018)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01719719 , version 1

Cite

Amine El Kacimi. Capteurs piézoélectriques souples à base de microfils de GaN en structure capacitive. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Grenoble 1 UGA - Université Grenoble Alpes, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01719719v1⟩
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